Курс лекций по общей физике Часть I Физические

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

Курс лекций по общей физике Часть I. Физические основы механики Молекулярная физика и термодинамика Лекция 5

Методы исследования Молекулярная физика Термодинамика разделы физики, изучающие макроскопические процессы в телах, связанные с движением большого количества содержащихся в телах атомов и молекул изучает строение и свойства вещества, исходя из молекулярнокинетических представлений изучает общие свойства макроскопических систем, находящихся в состоянии термодинамического равновесия и процессы перехода между этими состояниями основные положения МКТ Статистический метод исследования использует усредненные значения величин Два начала (фундаментальные законы) Термодинамический метод исследования • устанавливает связи между макроскопическими свойствами вещества • НЕ изучает микроскопическое строение вещества • НЕ изучает механизм явлений

Основные понятия Моль количество вещества, содержащее столько же частиц, сколько содержится атомов в 0, 012 кг углерода 12 C Термодинамическая система Термодинамические параметры число Авогадро NA = 6, 022· 1023 моль– 1 совокупность макроскопических тел, которые взаимодействуют и обмениваются энергией между собой и с другими телами давление p объем V температура Т T К = 273, 15 + t°С Реперные точки абсолютный нуль температуры – 0 К – точка нулевого давления газа температура тройной точки воды: лед, вода и пар – 0, 01° С 273, 16 К в тепловом равновесии в шкале Кельвина

Основные положения МКТ 1. Все тела состоят из молекул Основные 2. Молекулы непрерывно движутся положения 3. Молекулы взаимодействуют МКТ между собой и со стенками сосуда внутренняя энергия газа Идеальный газ Физическая модель энергия движения молекул энергия взаимодействия молекул Газ, в котором отсутствуют силы межмолекулярного взаимодействия (EP=0) С достаточной степенью точности газы можно считать идеальными в тех случаях, когда рассматриваются их состояния, далекие от областей фазовых переходов

Основное уравнение МКТ идеальных газов Средняя кинетическая энергия поступательного движения одной молекулы идеального газа Температура – мера средней кинетической энергии молекул Температура – понятие статистическое средняя квадратичная скорость молекул Средние квадратичные скорости молекул при н. у. • для О 2 - V ≈ 425 м/с, • для Н 2 - V ≈ 1700 м/с • Водяной пар - V ≈ 570 м/с число степеней свободы молекулы ! i = iпост+ iвращ + 2 iкол Число степеней свободы

Уравнение состояния идеального газа Уравнение Клапейрона-Менделеева М – молярная масса – количество вещества R=8, 31 Дж/(моль∙К) – универсальная газовая постоянная m – масса газа k=R/NA= 1, 38 ∙ 10 -23 Дж/К – постоянная Больцмана n – концентрация молекул

Внутренняя энергия идеального газа Способы изменения внутренней энергии газа U Q Теплопередача Теплопроводность твердые тела энергия движения молекул U = Q + A’ Q = U + A Конвекция жидкости, газы Излучение все тела для идеального газа A Работа I начало термодинамики

Явления переноса в термодинамически неравновесных системах Необратимые процессы Явления переноса Термодинамически Макроскопическая система, неравновесная состояние которой система с течением времени меняется происходит пространственное перераспределение энергии, массы, импульса Теплопроводность Диффузия Внутреннее трение обусловлена переносом ЭНЕРГИИ обусловлена переносом МАССЫ обусловлено переносом ИМПУЛЬСА Экспериментально полученные соотношения

Теплопроводность Обусловлена переносом энергии Если в одной области газа происходит выравнивание Т (Ек) молекул больше, чем температур в другой Закон Фурье плотность теплового потока - энергия, переносимая в форме теплоты в единицу времени через единичную площадку, оси х энергия переносится в направлении убывания температуры Т коэффициент теплопроводности градиент температур удельная теплоемкость газа при постоянном объеме - численно равна количеству теплоты, необходимой для нагревания 1 кг газа на 1 К при постоянном объеме

Диффузия Обусловлена переносом массы Самопроизвольное проникновение и перемешивание частиц двух соприкасающихся газов, жидкостей и даже твердых тел Для химически однородного газа численно равна массе вещества, плотность переносимого в единицу потока времени через единичную массы площадку, оси х Закон Фука перенос массы – в направлении убывания плотности( ) или концентрации вещества (n) коэффициент диффузии градиент плотности

Внутреннее трение (вязкость) Обусловлено переносом импульса направленного движения Если параллельные слои жидкости (газа) движутся с различными скоростями u обмен молекулами между слоями торможение быстрого, ускорение медленного слоев обмен импульсами Закон Ньютона градиент скорости слоев F численно равна полному импульсу, плотность переносимому потока в единицу времени импульса через единичную площадку, оси х перенос импульса – в направлении убывания u коэффициент динамической вязкости

Вязкость (внутреннее трение) Свойство жидкостей (газов) оказывать сопротивление перемещению одной части жидкости относительно другой Градиент скорости – коэффициент пропорциональности Динамическая вязкость (вязкость) [ ] = Па∙с зависит от: • химических свойств жидкости • температуры (для жидкостей зависимость обратная, для газов – прямая пропорциональность) 1 Па с – динамическая вязкость среды, в которой при ламинарном течении и градиенте скорости, равным 1 м/с на 1 м, возникает сила внутреннего трения 1 Н на 1 м 2 поверхности касания слоев (1 Па с= 1 Н с/м 2) показывает, как быстро меняется скорость u при переходе от слоя к слою в направлении х, направлению движения слоев

Первое начало термодинамики сформулировано в середине XIX в. По закону сохранения энергии в результате работ Ю. Р. Майера (нем. ), или Г. Гельмгольца (нем. ), Дж. П. Джоуля (англ. ) В дифференциальной форме I начало термодинамики U 1 V 1 T 1 U 2 V 2 T 2 Q Количество теплоты подводится к системе Количество теплоты отнимается от системы Теплота, сообщаемая системе, расходуется на увеличение ее внутренней энергии и на совершение ею работы против внешних сил или: Q > 0 Q < 0 Работа совершается системой А > 0 против внешних сил Работа совершается над А < 0 системой внешними силами ТД система может совершать работу только за счёт своей внутренней энергии или какихлибо внешних источников энергии ! Невозможно существование вечного двигателя первого рода, который совершал бы работу, не черпая энергию из какого-либо источника

Работа газа при изменении его объема S dl Р Q справедливо при любых изменениях объема твердых, жидких и газообразных тел Графически можно изображать только равновесные процессы (последовательности равновесных состояний) Все реальные процессы неравновесны !

Теплоемкость Удельная теплоемкость вещества Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 кг вещества на 1 К Молярная теплоемкость вещества Численно равна количеству теплоты, необходимому для нагревания 1 моля вещества на 1 К [с] = Дж/(кг∙К) [ ] = Дж/(моль∙К) для 1 моля Теплоемкость при постоянном объеме Различают Теплоемкость при постоянном давлении Теплоемкость Численно равна количеству теплоты, необходимому для тела нагревания тела на 1 К

Изопроцессы Изохорный V=const =0 Молярная теплоемкость при постоянном объеме численно равна теплоте Q, С учетом необходимой для нагревания при постоянном объеме 1 моля вещества на 1 К Все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение внутренней энергии

Изопроцессы Изобарный p=const =R - численно равна работе при изобарном нагревании 1 моля на 1 К =CV уравнение Майера Все количество теплоты, полученное телом, идет на изменение внутренней энергии и совершение работы телом

Изопроцессы Изотермический Т=const =0 Все количество теплоты, полученное телом, идет на совершение работы телом Для того, чтобы при расширении газа Т не понижалась, к газу в течение изотермического процесса необходимо подводить Q, эквивалентное внешней работе расширения

Адиабатический процесс Адиабатический Процесс, проходящий без (адиабатный) теплообмена с окружающей средой Уравнение Пуассона показатель адиабаты Q = 0

Термодинамический цикл Круговой процесс (термодинамический цикл) Периодически повторяющийся процесс теплопередачи и преобразования полученного количества теплоты в работу энергетическая схема тепловой машины Нагреватель расширение работа за цикл Рабочее тело сжатие Холодильник Коэффициент полезного действия показывает, какая часть тепловой энергии, полученной рабочим телом от нагревателя, превратилась в полезную работу

Использование циклов Тепловой двигатель устройство, способное превращать полученное количество теплоты в механическую работу цикл в бензиновом карбюраторном двигателе цикл в дизельном двигателе изобара адиабата рабочее тело смесь паров изохора бензина c воздухом адиабата смесь дизельного топлива с воздухом к. п. д изохора 30% 40%

Цикл Карно изотерма адиабата 1 -2: • изотермическое расширение • газ получает тепло • газ совершает работу A 12=Q 1 2 -3: • адиабатическое расширение • газ совершает работу A 23 >0 • температура падает до T 2 3 -4: • изотермическое сжатие • газ отдает тепло Q 2<0 • над газом совершают работу А 34=Q 2 A 34 <0 4 -1: • адиабатическое сжатие • температура повышается до T 1 • над газом совершают работу A 41 <0 Работа за цикл A=A 12 +А 23+А 34+А 41 работа за цикл Цикл Карно исключает теплообмен при конечной разности температур рабочего тела и окружающей среды (термостатов), когда тепло может передаваться без совершения работы ηКарно = ηmax

Использование цикла Карно Любой участок цикла Карно и весь цикл в целом может быть пройден в обоих направлениях Обход цикла против часовой стрелки Обход цикла по часовой стрелке тепловой двигатель холодильная машина нагреватель рабочее тело холодильник идеальное устройство, работающее по циклу Карно, называют обратимой тепловой машиной некоторое Q отбирается от холодного резервуара и передается нагревателю за счет совершения внешней работы

Второе начало термодинамики II начало ТД Кельвин: В циклически действующей тепловой машине невозможен процесс, единственным результатом которого было бы преобразование в механическую работу всего количества теплоты, полученного от единственного теплового резервуара Клаузиус: Невозможен процесс, единственным результатом которого была бы передача энергии путем теплообмена от тела с низкой температурой к телу с более высокой температурой Общее свойство необратимых процессов замкнутая система приближается к состоянию термодинамического равновесия

Энтропия функция состояния системы, мера неупорядоченности, мера статистического беспорядка указывает направление самопроизвольно протекающих процессов для обратимых процессов изменение энтропии Неравенство Клаузиуса для необратимых процессов энтропия замкнутой системы может либо возрастать (в случае необратимых процессов), либо оставаться постоянной (в случае обратимых процессов) Закон При любых процессах, протекающих возрастания в термодинамических изолированных системах, энтропия не уменьшается энтропии

Скачать презентацию Курс лекций по общей физике Часть I Физические

Ч-1_Л-5.pptx

Количество слайдов: 25